抗菌食品包装系统：将抗菌剂与其释放动力学、生命周期评估及技术经济评估相结合

《Food Bioscience》：Antimicrobial Food Packaging Systems: Bridging Antimicrobial Agents with their Release Kinetics, Life Cycle Assessment, and Techno-Economic Assessment

　　•天然和合成抗菌剂提供广谱保护。•抗菌剂的释放动力学显著影响其抗菌效果。•生命周期评估评估包装的可持续性和环境影响。•技术经济分析支持抗菌包装的商业化。

引言
全球人口的增长增加了对食品的需求；然而，近年来人们对食品安全、采后损失和保质期的关注日益增加。世界卫生组织（WHO）指出，有害微生物、病毒、寄生虫或化学污染物是导致200多种人类疾病的主要原因，这些疾病从腹泻到癌症不等。因此，能够有效抑制微生物污染并减缓物质生理降解的包装对于减少采后损失至关重要。将抗菌剂加入小袋、薄膜、纸张和吸水性垫材中是提高食品保质期、安全性和质量保持的最有前景的技术之一（Naqash等人，2022年）。此外，还开发了先进的抗菌包装系统，这些系统可以在包装内部空间以蒸气形式释放活性成分（Esteve-Redondo等人，2024年），从而在较长时间内抑制微生物生长。甲基对羟基苯甲酸酯、丙基对羟基苯甲酸酯、苯甲酸钠和钾、苯甲酸、山梨酸、丁基羟基茴香醚（BHA）、丁基羟基甲苯（BHT）等合成防腐剂被用于通过抑制霉菌和酵母的生长来延长保质期和改善食品质量（R. Gupta & Kumar，2021年）。然而，由于这些防腐剂可能对健康造成严重危害，包括哮喘、过敏或超敏反应、神经系统损伤和癌症（Pereira等人，2026年），消费者现在对其使用感到担忧。因此，人们转向可以使用天然来源的抗菌剂，如动物来源的溶菌酶、蜂胶、头孢菌素和乳铁蛋白、植物提取物和精油（EOs）（百里香、薰衣草、牛至），以及微生物来源的抗菌剂（如细菌素、尼辛、佩迪辛），并将其整合到生物聚合物中，如图1(c)所示（Galani等人，2024年）。一些生产抗菌包装材料的主要企业包括Dow、BioCote、Avient、Amcor、Linpac、BASF和PolyOne（图1(d)），以及他们的商业产品，详见表1（Ligaj等人，2020年；Upadhyay等人，2024年）。

由于天然抗菌剂的无毒性、可生物降解性和生物相容性，人们对它们越来越感兴趣。因此，许多研究致力于识别和提取新型天然抗菌剂，并将其集成到包装系统中以抑制细菌（Mao等人，2023年）和真菌（Arslan等人，2024年）的生长。Le等人通过酰胺肟化方法固定溶菌酶，开发了一种可重复使用的聚丙烯腈纳米纤维膜，该膜对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）表现出99.89%的抗菌效果，并且高效、稳定且可重复使用最多5次（Le等人，2025年）。Maky等人通过添加植物乳杆菌素W和肠球菌素F4-9制备了羧甲基纤维素（CMC）薄膜，使嗜温菌数量减少了86.67%，嗜冷菌数量减少了96.67%，从而将切碎牛肉的保质期延长至12天（Maky等人，2025b）。Torche和Chouana使用枣椰提取物合成了氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs），并将其通过深共晶溶剂掺入聚乳酸（PLA）基质中。该薄膜在3% ZnO浓度下完全抑制了蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus），并对金黄色葡萄球菌的抑制率为99.66%，对大肠杆菌的抑制率为70.90%（Torche & Chouana，2026年）。在另一项研究中，使用柠檬香蜂草提取物合成了氧化铜（CuONPs）并将其掺入聚丙烯腈纳米纤维中。在1% CuONPs浓度下，该纳米纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的抑制区（ZOI）分别为29.4 ± 0.3毫米、31.4 ± 0.7毫米和25.2 ± 0.3毫米（Elshahat等人，2026年）。Lou等人开发了一种含有2%芦丁的壳聚糖和明胶复合膜，在4°C下可保存鸡胸肉10天，同时保持总活菌数低于6.17 log CFU/g（M. Lou等人，2026年）。Ashraf等人将尼辛封装在普鲁兰/羧甲基壳聚糖薄膜中，并通过深共晶溶剂进行塑化，显示出对大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌的有效抗菌活性，其ZOI分别为15.62毫米和19.13毫米（Ashraf等人，2026年）。类似地，尼辛（K. Huang等人，2025年）、β-环糊精包裹的精油（X. Chen等人，2026年）、植物叶提取物（Kanimozhi等人，2026年）和其他天然抗菌剂也能有效抑制微生物生长，从而延长保质期。

本综述深入探讨了合成和天然抗菌剂及其通过直接工艺（如涂层、掺入或固定到聚合物基质中）和间接工艺（如小袋和吸水性垫材）集成到多种活性食品包装系统中的方法。综述还阐述了这些抗菌剂影响细菌细胞的基本机制。特别关注了这些抗菌剂的释放动力学和数学建模，并结合了生命周期评估和技术经济可行性分析。还讨论了抗菌包装的未来发展方向，以解决大规模生产、环境可持续性和成本效益方面的重大挑战。通过持续的多学科努力，最终将能够开发出符合循环经济原则的有效且环保的包装解决方案，从而弥合实验室研究与商业应用之间的差距。

抗菌剂的类型及其集成技术
抗菌剂根据其来源和组成分为天然和合成两大类（图2(a)）。这种分类区分了化学制造的抗菌剂（如季铵化合物和金属纳米颗粒）和天然来源的抗菌剂，包括来自动物和植物的酶、蛋白质和多糖，以及微生物（如细菌素和噬菌体）。

存在多种形式的抗菌包装，包括直接使用的合成抗菌剂。合成抗菌剂可以根据其碳含量进一步分为无机和有机两类。

天然抗菌剂
由于其多样的生物活性、可生物降解性和生物相容性，以及更高的消费者接受度和对导致食品腐败的病原体的有效性，天然抗菌剂被研究作为合成抗菌剂的潜在替代品。它们可以进一步按来源分类，包括动物来源、微生物来源和植物来源的抗菌剂，如表3所示。

抗菌测试的标准方法
通常使用琼脂扩散法、肉汤法、直接接触法和动态接触法来评估AP材料的抗菌效果。然而，由于抗菌机制、实验条件和响应测量的不同，这些方法不能直接互换。琼脂扩散法和ZOI（Kirby-Bauer）法是最常用且简单的定量技术。然而，除了抗菌效果外，ZOI还受到其他因素的影响。

包装中的抗菌剂动力学和建模
在包装系统中，控制抗菌剂的释放至关重要，因为释放速率、程度和机制决定了抗菌剂在食品-包装界面上的可用性和保护持续时间。释放动力学分为两个阶段：初始快速释放阶段减少微生物数量，随后是持续扩散阶段，维持整个储存期间的浓度，从而延长抗菌效果。然而，过快的释放速率可能会迅速...

抗菌剂生产和包装的生命周期分析
在AP材料中，添加AgNPs、ZnO、尼辛、亚硫酸氢钠（NaM）、石墨烯纳米片、多壁碳纳米管（MWCNs）和EOs等抗菌剂可以提高抗菌性能并延长食品的保质期。然而，这些功能性益处可能会伴随着与生产、合成或提取过程相关的额外环境负担，以及能源密集型加工、运输和废弃物处理问题。

抗菌剂及其在食品包装领域应用的技术经济分析（TEA）
TEA是评估工业规模下抗菌包装材料整体性能和可行性的强大工具。它以$/kg包装食品或$/m2包装材料的形式表示。分析包括总资本和运营费用的计算，以及预期的收入，以评估各种生产过程的盈利能力。总资本费用包括设备、安装和公用事业等直接支出。

未来展望
抗菌食品包装的未来在于从实验室规模的验证研究向特定产品的、可扩展的、经济上可行的环保包装系统的转变。最近的研究表明，包括金属/金属氧化物纳米颗粒在内的合成抗菌剂以及天然抗菌剂（如精油、植物提取物、肽、酶、壳聚糖和细菌素）可以有效抑制食品中的微生物并延长保质期。

结论
抗菌包装有助于防止由病原体引起的食品腐败，延长保质期并保持质量。尽管合成抗菌剂能有效延长食品安全和保质期，但它们存在毒性、环境持久性和法规合规性问题，尤其是基于金属的抗菌剂。长期接触合成化学物质可能对人类健康造成严重影响，可能导致严重的呼吸系统问题...

作者声明
作者声明没有竞争利益。

CRediT作者贡献声明
Manisha Madan：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论研究、数据分析。
Rahul Ranjan：写作 – 审稿与编辑。
Vibhore Kumar Rastogi：可视化、验证、监督、概念构思。

未引用的参考文献
Baniasadi等人，2025年；Chen等人，2026年；Coelho等人，2026年；Gao等人，2026年；Geeta等人，2026年；Guo等人，2025年；Lou等人，2026年；Mathew等人，2026年；Mousavi Khaneghah等人，2018年；Wang等人，2026年；Wang等人，2026年。

声明
作者声明没有已知的竞争利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
MM感谢印度鲁尔基理工学院和印度政府的教育部门对本综述研究的财政支持。